Fases [ editar ]
El curso del potencial de acción se puede dividir en cinco partes: la fase ascendente, la fase máxima, la fase descendente, la fase inferior y el período refractario. Durante la fase ascendente, el potencial de membrana se despolariza (se vuelve más positivo). El punto en el que se detiene la despolarización se denomina fase pico. En esta etapa, el potencial de membrana alcanza un máximo. Posterior a esto, hay una fase de caída. Durante esta etapa, el potencial de membrana se vuelve más negativo, volviendo al potencial de reposo. La fase de infiltración o hiperpolarización es el período durante el cual el potencial de membrana se carga temporalmente más negativamente que cuando está en reposo (hiperpolarizado). Finalmente, el tiempo durante el cual un potencial de acción posterior es imposible o difícil de disparar se denomina período refractario, que puede superponerse con las otras fases. [27]
El curso del potencial de acción está determinado por dos efectos acoplados. [28] Primero, los canales iónicos sensibles al voltaje se abren y se cierran en respuesta a los cambios en el voltaje de la membrana V m . Esto cambia la permeabilidad de la membrana a esos iones. [29] Segundo, de acuerdo con la ecuación de Goldman , este cambio en la permeabilidad cambia el potencial de equilibrio E m , y, por lo tanto, el voltaje de membrana V m . [h] Por lo tanto, el potencial de membrana afecta a la permeabilidad, que a su vez afecta el potencial de membrana. Esto establece la posibilidad de una retroalimentación positiva., que es una parte clave de la fase ascendente del potencial de acción. [4] [30] Un factor de complicación es que un solo canal iónico puede tener múltiples "puertas" internas que responden a los cambios en V m en formas opuestas, o a diferentes velocidades. [31] [i] Por ejemplo, aunque el aumento de V m abre la mayoría de las compuertas en el canal de sodio sensible al voltaje, también cierra la "compuerta de inactivación" del canal, aunque sea más lentamente. [32] Por lo tanto, cuando V m se eleva repentinamente, los canales de sodio se abren inicialmente, pero luego se cierran debido a la inactivación más lenta.
Las tensiones y corrientes del potencial de acción en todas sus fases fueron modelados con precisión por Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Huxley en 1952, [i] para el que fueron galardonados con el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1963. [β] Sin embargo, su el modelo considera solo dos tipos de canales iónicos sensibles al voltaje y hace varias suposiciones acerca de ellos, por ejemplo, que sus puertas internas se abren y se cierran independientemente una de la otra. En realidad, hay muchos tipos de canales iónicos, [33] y no siempre se abren y cierran de forma independiente. [j]
Estimulación y fase ascendente [ editar ]
Un potencial de acción típico comienza en el montículo del axón [34] con una despolarización suficientemente fuerte, por ejemplo, un estímulo que aumenta V m . Esta despolarización a menudo es causada por la inyección de cationes de sodio adicionales en la célula; Estos cationes pueden provenir de una amplia variedad de fuentes, como sinapsis químicas , neuronas sensoriales o potenciales de marcapasos .
Para una neurona en reposo, hay una alta concentración de iones de sodio y cloruro en losm de −70 mV a −60 mV), la corriente de potasio hacia el exterior abruma la corriente de sodio hacia el interior y la membrana repolariza de nuevo a su potencial de reposo normal alrededor de −70 mV. [4] [5] [6] líquido extracelular encomparación con el fluido intracelular , mientras que hay una alta concentración de iones de potasio en el fluido intracelular en comparación con el fluido extracelular. La diferencia en las concentraciones, que hace que los iones se muevan de una concentración alta a una baja , y los efectos electrostáticos (atracción de cargas opuestas) son responsables del movimiento de iones dentro y fuera de la neurona. El interior de una neurona tiene una carga negativa, en relación con el exterior de la célula, por el movimiento de K + fuera de la célula. La membrana neuronal es más permeable a K +.que a otros iones, permitiendo que este ion se mueva selectivamente fuera de la célula, bajando su gradiente de concentración. Este gradiente de concentración junto con los canales de fuga de potasio presentes en la membrana de la neurona provoca un flujo de iones de potasio que hace que el potencial de reposo se acerque a E K ≈ –75 mV. [35] Dado que los iones de Na + están en concentraciones más altas fuera de la celda, las diferencias de concentración y voltaje los llevan a la celda cuando se abren los canales de Na + . La despolarización abre los canales de sodio y potasio en la membrana, permitiendo que los iones fluyan dentro y fuera del axón, respectivamente. Si la despolarización es pequeña (digamos, aumentando V Sin embargo, si la despolarización es lo suficientemente grande, la corriente interna de sodio aumenta más que la corriente externa de potasio y se produce una condición fuera de control ( retroalimentación positiva ): cuanto más corriente interna haya, más V m aumenta, lo que a su vez aumenta aún más la corriente interna. [4] [30] Una despolarización suficientemente fuerte (aumento de V m ) hace que los canales de sodio sensibles al voltaje se abran; La creciente permeabilidad a las unidades de sodio.V m más cerca de la tensión de equilibrio de sodio E Na ≈ +55 mV. El aumento de voltaje a su vez hace que se abran aún más canales de sodio, lo que empuja a V m aún más hacia E Na . Esta retroalimentación positiva continúa hasta que los canales de sodio están completamente abiertos y V m está cerca de E [36] [37]Na . [4] [5] [36] [37] El fuerte aumento de V m y la permeabilidad del sodio corresponden a la fase creciente del potencial de acción. [4] [5]
El voltaje de umbral crítico para esta condición de fuga generalmente es de alrededor de -45 mV, pero depende de la actividad reciente del axón. Una célula que acaba de disparar un potencial de acción no puede disparar otra inmediatamente, ya que los canales de Na + no se han recuperado del estado desactivado. El período durante el cual no se puede disparar un nuevo potencial de acción se denomina período refractario absoluto . Periodo refractario relativo . [38] [39][38] [39] [40] En tiempos más prolongados, después de que algunos, pero no todos los canales iónicos se hayan recuperado, se puede estimular el axón para que produzca otro potencial de acción, pero con un umbral más alto, que requiera una despolarización mucho más fuerte, por ejemplo, a −30 mV. El período durante el cual los potenciales de acción son inusualmente difíciles de evocar se denomina [40]
Fase pico y caída [ editar ]
La retroalimentación positiva de la fase ascendente disminuye y se detiene cuando los canales de iones de sodio se abren al máximo. En el pico del potencial de acción, la permeabilidad del sodio se maximiza y el voltaje de la membrana V m es casi igual al voltaje de equilibrio del sodio E Na . Sin embargo, el mismo voltaje elevado que abrió los canales de sodio inicialmente también los apaga lentamente, al cerrar sus poros; Los canales de sodio se inactivan . [32] Esto reduce la permeabilidad de la membrana al sodio en relación con el potasio, lo que hace que el voltaje de la membrana vuelva al valor de reposo. Al mismo tiempo, el voltaje elevado abre canales de potasio sensibles al voltaje; el aumento de la permeabilidad de potasio de la membrana conduce V m hacia E K . [32] En conjunto, estos cambios en sodio y potasio permeabilidad causa V m a caer rápidamente, repolarización de la membrana y la producción de la "fase de caída" del potencial de acción. [38] [41] [37] [42]
Afterhyperpolarization [ editar ]
El voltaje despolarizado abre canales adicionales de potasio dependientes del voltaje, y algunos de estos no se cierran de inmediato cuando la membrana vuelve a su voltaje normal de reposo. Además, otros canales de potasio se abren en respuesta a la entrada de iones de calcio durante el potencial de acción. La concentración intracelular de iones de potasio es transitoriamente inusualmente baja, haciendo que la membrana de tensión V m aún más cerca de la tensión de equilibrio de potasio E K . El potencial de membrana va por debajo del potencial de membrana en reposo. Por lo tanto, hay un subimpulso o hiperpolarización , denominado post-hiperpolarización , que persiste hasta que la permeabilidad del potasio de la membrana vuelve a su valor habitual. [43] [41] El potencial de membrana en reposo es restaurado por las acciones de la bomba de sodio-potasio , que transporta tres iones de sodio fuera de la célula por cada dos iones de potasio transportados a la célula.
Período refractario [ editar ]
A cada potencial de acción le sigue un período refractario , que puede dividirse en un período refractario absoluto, durante el cual es imposible evocar otro potencial de acción, y luego un período refractario relativo , durante el cual se requiere un estímulo más fuerte de lo habitual. [38] [39] [40] Estos dos períodos refractarios son causados por cambios en el estado de las moléculas de los canales de sodio y potasio. Cuando se cierra después de un potencial de acción, los canales de sodio entran en un estado "inactivo", en el que no se puede hacer que se abran independientemente del potencial de membrana, esto da lugar al período refractario absoluto. Incluso después de que un número suficiente de canales de sodio hayan vuelto a su estado de reposo, sucede con frecuencia que una fracción de los canales de potasio permanece abierta, lo que dificulta la despolarización del potencial de la membrana y, por lo tanto, da lugar al período refractario relativo. Debido a que la densidad y los subtipos de los canales de potasio pueden diferir mucho entre los diferentes tipos de neuronas, la duración del período refractario relativo es muy variable.
El período refractario absoluto es en gran parte responsable de la propagación unidireccional de los potenciales de acción a lo largo de los axones. [44] En cualquier momento dado, el parche de axón detrás de la parte de espiga activa es refractario, pero el parche en el frente, que no se ha activado recientemente, puede ser estimulado por la despolarización del potencial de acción.
Propagación [ editar ]
El potencial de acción generado en el montículo del axón se propaga como una onda a lo largo del axón. [45] Las corrientes que fluyen hacia el interior en un punto del axón durante un potencial de acción se extienden a lo largo del axón y despolarizan las secciones adyacentes de su membrana. Si es lo suficientemente fuerte, esta despolarización provoca un potencial de acción similar en los parches de membrana adyacentes. Alan Lloyd Hodgkin demostró este mecanismo básico en 1937. Después de aplastar o enfriar los segmentos nerviosos y bloquear así los potenciales de acción, mostró que un potencial de acción que llega a un lado del bloque podría provocar otro potencial de acción en el otro, siempre que El segmento bloqueado era suficientemente corto. [k]
Una vez que se ha producido un potencial de acción en un parche de membrana, el parche de membrana necesita tiempo para recuperarse antes de que pueda dispararse nuevamente. A nivel molecular, este período refractario absoluto corresponde al tiempo requerido para que los canales de sodio activados por voltaje se recuperen de la inactivación, es decir, para volver a su estado cerrado. [39]Hay muchos tipos de canales de potasio activados por voltaje en las neuronas. Algunos de ellos se inactivan rápidamente (corrientes tipo A) y algunos de ellos se desactivan lentamente o no se inactivan en absoluto; esta variabilidad garantiza que siempre habrá una fuente disponible de corriente para la repolarización, incluso si algunos de los canales de potasio están inactivados debido a la despolarización anterior. Por otro lado, todos los canales de sodio activados por voltaje neuronal se inactivan en varios milisegundos durante la despolarización fuerte, haciendo así imposible la despolarización posterior hasta que una fracción sustancial de los canales de sodio haya vuelto a su estado cerrado. Aunque limita la frecuencia de disparo, [46] el período refractario absoluto garantiza que el potencial de acción se mueva en una sola dirección a lo largo de un axón. [44] Las corrientes que fluyen debido a un potencial de acción se extienden en ambas direcciones a lo largo del axón. [47] Sin embargo, solo la parte no inflamada del axón puede responder con un potencial de acción; la parte que acaba de disparar no responde hasta que el potencial de acción está fuera de alcance y no puede reestimular esa parte. En la conducción ortodrómicahabitual , el potencial de acción se propaga desde el montículo del axón hacia los mandos sinápticos (los extremos axonales); la propagación en la dirección opuesta, conocida como conducción antidrómica, es muy rara. [48] Sin embargo, si se estimula un axón de laboratorio en su parte media, ambas mitades del axón están "frescas", es decir, sin cocer; luego, se generarán dos potenciales de acción, uno que se dirige hacia el montículo de axones y el otro hacia los mandos sinápticos.
Mielina y conducción saltatoria [ editar ]
Para permitir la transducción rápida y eficiente de señales eléctricas en el sistema nervioso, ciertos axones neuronales están cubiertos con vainas de mielina . La mielina es una membrana multilamelar que envuelve al axón en segmentos separados por intervalos conocidos como nodos de Ranvier . Es producido por células especializadas: células de Schwann exclusivamente en el sistema nervioso periférico , y oligodendrocitos exclusivamente en el sistema nervioso central . La vaina de mielina reduce la capacitancia de la membrana y aumenta la resistencia de la membrana en los intervalos entre nodos, lo que permite un movimiento saltatorio rápido de los potenciales de acción de un nodo a otro. [l] [m] [n]La mielinización se encuentra principalmente en vertebrados , pero se ha descubierto un sistema análogo en algunos invertebrados, como algunas especies de camarones . [o] No todas las neuronas en los vertebrados están mielinizadas; por ejemplo, los axones de las neuronas que comprenden el sistema nervioso autónomo no son, en general, mielinizados.
La mielina evita que los iones entren o salgan del axón a lo largo de los segmentos mielinizados. Como regla general, la mielinización aumenta la velocidad de conducción de los potenciales de acción y los hace más eficientes energéticamente. Sea o no saltatorio, la velocidad de conducción media de un potencial de acción varía de 1 metro por segundo (m / s) a más de 100 m / s, y, en general, aumenta con el diámetro axonal. [pag]
Los potenciales de acción no pueden propagarse a través de la membrana en segmentos mielinizados del axón. Sin embargo, la corriente es transportada por el citoplasma, que es suficiente para despolarizar el primer o segundo nodo subsiguiente de Ranvier . En cambio, la corriente iónica de un potencial de acción en un nodo de Ranvier provoca otro potencial de acción en el siguiente nodo; este "salto" aparente del potencial de acción de nodo a nodo se conoce como conducción saltatoria . Aunque el mecanismo de la conducción saltatoria fue sugerido en 1925 por Ralph Lillie, [q] la primera evidencia experimental de la conducción saltatoria provino de Ichiji Tasaki [r] y Taiji Takeuchi [s] [49] y deAndrew Huxley y Robert Stämpfli. [t] Por el contrario, en los axones no mielinizados, el potencial de acción provoca otro en la membrana inmediatamente adyacente, y se mueve continuamente hacia abajo del axón como una onda.
La mielina tiene dos ventajas importantes: velocidad de conducción rápida y eficiencia energética. Para los axones más grandes que un diámetro mínimo (aproximadamente 1 micrómetro ), la mielinización aumenta la velocidad de conducción de un potencial de acción, típicamente diez veces. [v] Por el contrario, para una velocidad de conducción dada, las fibras mielinizadas son más pequeñas que sus contrapartes no mielinizadas. Por ejemplo, los potenciales de acción se mueven aproximadamente a la misma velocidad (25 m / s) en un axón de rana mielinizado y un axón gigante de calamar no mielinizado, pero el axón de rana tiene un diámetro de aproximadamente 30 veces más pequeño y un área de sección transversal 1000 veces más pequeña. Además, dado que las corrientes iónicas se limitan a los nodos de Ranvier, muchos menos iones "se filtran" a través de la membrana, ahorrando energía metabólica. Este ahorro es una ventaja selectivasignificativa , ya que el sistema nervioso humano utiliza aproximadamente el 20% de la energía metabólica del cuerpo. [v]
La longitud de los segmentos mielinizados de los axones es importante para el éxito de la conducción saltatoria. Deben ser lo más largas posible para maximizar la velocidad de conducción, pero no tanto como para que la señal de llegada sea demasiado débil para provocar un potencial de acción en el próximo nodo de Ranvier. En la naturaleza, los segmentos mielinizados son generalmente lo suficientemente largos como para que la señal propagada pasivamente viaje por al menos dos nodos, al tiempo que retiene la amplitud suficiente para disparar un potencial de acción en el segundo o tercer nodo. Por lo tanto, el factor de seguridad de la conducción saltatoria es alto, lo que permite la transmisión a los nodos de derivación en caso de lesión. Sin embargo, los potenciales de acción pueden terminar prematuramente en ciertos lugares donde el factor de seguridad es bajo, incluso en las neuronas no mielinizadas; un ejemplo común es el punto de ramificación de un axón, donde se divide en dos axones.[51]
Algunas enfermedades degradan la mielina y afectan la conducción saltatoria, reduciendo la velocidad de conducción de los potenciales de acción. [w] El más conocido de ellos es la esclerosis múltiple , en la que la descomposición de la mielina afecta el movimiento coordinado.
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